李景奎，崔金剛，張中興，牟洪波

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150040)

電位差計(jì)實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中最基本的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一，實(shí)驗(yàn)所需要的待測電動(dòng)勢要求為毫伏級，靈敏度高，大小可調(diào)節(jié)，能夠可重復(fù)性測量等特點(diǎn)［1-2］。目前多數(shù)高校在電位差計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及測量時(shí)，所用的待測電動(dòng)勢一般有兩種:一種是用酒精燈加熱熱電偶的方法來產(chǎn)生待測電動(dòng)勢，通過熱電偶的溫度改變來實(shí)現(xiàn)［3-4］。另一種方法是通過光電轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)的，利用小燈泡或者LED發(fā)出的光照在光電二極管上，產(chǎn)生光電流，將光電二極管與電位器相連，在光電二極管輸出端產(chǎn)生毫伏級電動(dòng)勢［5-6］。這兩種方法都有一定缺陷，第一種方法實(shí)驗(yàn)時(shí)間長，控制起來不靈敏，危險(xiǎn)性較大;第二種方法產(chǎn)生的電動(dòng)勢不能長時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，電動(dòng)勢的大小會(huì)發(fā)生的漂移，實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性不好，而且這兩種方法都耗能，不夠環(huán)保，在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中不可避免要添加酒精，更換小燈泡，LED燈珠等，不可避免增加了實(shí)驗(yàn)人員的工作量［7］。

1 簡易式毫伏級待測電動(dòng)勢實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)

簡易式毫伏級待測電動(dòng)勢實(shí)驗(yàn)儀原理圖見圖1，它包括直流穩(wěn)壓電源E、發(fā)光二極管LED、電阻R和電位器RP，直流穩(wěn)壓電源E的正極連接發(fā)光二極管LED的陽極，發(fā)光二極管LED的陰極連接直流穩(wěn)壓電源E的負(fù)極，作為儀器指示燈。直流穩(wěn)壓電源E的連接電阻R，電阻R連接電位器RP的一個(gè)固定端，電位器RP的滑動(dòng)端和一個(gè)固定端之間輸出毫伏級電動(dòng)勢。其中，直流穩(wěn)壓電源E采用電壓為3 V的直流穩(wěn)壓電源。發(fā)光二極管LED采用功率為1W的發(fā)光二極管。電阻R采用電阻為36 kΩ。輸出電動(dòng)勢的大小可通過電位器調(diào)節(jié)，其中，連續(xù)穩(wěn)定的電動(dòng)勢0～170 mV能夠滿足電位差計(jì)實(shí)驗(yàn)對待測電動(dòng)勢具體實(shí)驗(yàn)要求。

圖1 簡易式毫伏級待測電動(dòng)勢實(shí)驗(yàn)儀原理圖

2 簡易式毫伏級待測電動(dòng)勢實(shí)驗(yàn)儀穩(wěn)定性的研究

2.1 簡易式毫伏級待測電動(dòng)勢實(shí)驗(yàn)儀穩(wěn)定性研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)測量儀器穩(wěn)定性的需要，在電位差計(jì)測量范圍0～170 mV調(diào)節(jié)電位器改變輸出電動(dòng)勢的大小，共設(shè)置6個(gè)組別，分別為V1(5 mV)、V2(20mV)、V3(40 mV)、V4(80 mV)、V5(120 mV)、V6(160 mV)。共6個(gè)組別，具體的參數(shù)設(shè)定與順序排列見表1，所示分別測試每組在5 min，10 min，30 min，60 min，120 min 的電動(dòng)勢的大小，不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)讀數(shù)三次，并求出3次測量的平均值，分析不同組別輸出毫伏級電動(dòng)勢的穩(wěn)定性。

表1 簡易式毫伏級待測電動(dòng)勢實(shí)驗(yàn)儀穩(wěn)定性研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 簡易式毫伏級待測電動(dòng)勢實(shí)驗(yàn)儀穩(wěn)定性研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 輸出電動(dòng)勢平均值隨時(shí)間變化規(guī)律

在整個(gè)測量讀數(shù)過程中，電位差計(jì)實(shí)驗(yàn)的電流表指針擺動(dòng)幅度非常小，幾乎不動(dòng)，從表1的讀數(shù)結(jié)果可以看出，V1和V2兩個(gè)組別不同時(shí)間的三次讀數(shù)差異很小，不超過0.02 mV;從V5、V6、V7和V8四組數(shù)據(jù)可以看出，輸出的電動(dòng)勢在40～160 m范圍內(nèi)也非常穩(wěn)定，同組中最大差異也沒有超過0.05 mV，特別是80 mV左右的V4組，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化很小，有的時(shí)間點(diǎn)測量的3次讀數(shù)幾乎不變。輸出的電動(dòng)勢平均值隨時(shí)間變化規(guī)律見圖2，從V1到V6的6個(gè)組別輸出電動(dòng)勢平均值的大小幾乎不隨時(shí)間改變，6條曲線非常平穩(wěn)，接近平行，說明簡易式毫伏級待測電動(dòng)勢實(shí)驗(yàn)儀在各個(gè)節(jié)點(diǎn)輸出電動(dòng)勢幾乎不隨時(shí)間變化。從整體上看，在電位差計(jì)量程范圍內(nèi)，簡易式毫伏級待測電動(dòng)勢實(shí)驗(yàn)儀輸出的六個(gè)組別電動(dòng)勢讀數(shù)是非常穩(wěn)定的。

3 結(jié) 論

從簡易式毫伏級待測電動(dòng)勢實(shí)驗(yàn)儀穩(wěn)定性研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，輸出的電動(dòng)勢在0～170 mV范圍內(nèi)非常穩(wěn)定，不隨時(shí)間改變，輸出電動(dòng)勢大小連續(xù)可調(diào)，能夠滿足在電位差計(jì)實(shí)驗(yàn)儀測量范圍0～170 mV測量需求;從簡易式毫伏級待測電動(dòng)勢實(shí)驗(yàn)儀原理可以看出，待測電動(dòng)勢實(shí)驗(yàn)儀是通過改變輸出端電阻大小來實(shí)現(xiàn)輸出電動(dòng)勢的變化，實(shí)驗(yàn)原理簡單，制作容易，簡易式毫伏級可控電動(dòng)勢沒有采用易損白熾燈和熱電偶等的耗能元件，避免耗能元件使用壽命有限帶來日常更換維護(hù)等方面困擾。解決了現(xiàn)有待測電動(dòng)勢控制不靈敏，實(shí)驗(yàn)周期長，危險(xiǎn)性大，短時(shí)間無法重復(fù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生的電動(dòng)勢不穩(wěn)定，電動(dòng)勢的大小漂移，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性不好等這一系列問題。另外，所設(shè)計(jì)簡易式毫伏級待測電動(dòng)勢實(shí)驗(yàn)儀不受溫度、光照等環(huán)境因素影響，具有使用方便，制作簡單，節(jié)能環(huán)保，成本低廉，穩(wěn)定耐用，實(shí)驗(yàn)效果良好等優(yōu)點(diǎn)，是非常理想的箱式電位差計(jì)實(shí)驗(yàn)配套儀器。

［1］李磊，蘇學(xué)軍.箱式電位差計(jì)交流電源的新設(shè)計(jì)［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2007，20(2):57-59.

［2］張波.電位差計(jì)測量電池電動(dòng)勢的誤差分析［J］.沈陽大學(xué)學(xué)報(bào)，1994(2):27-30，1999，12(1):57-60.

［3］高秋捷.熱電偶的溫差電特性［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2004，17(1):37-39.

［4］熊艷玲，張宏琴，呂月蘭.直流電位差計(jì)測量熱電偶電動(dòng)勢的不確定度分析［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，1999，(1):56-60.

［5］李廣英，趙雪，仇三東，等.光電毫伏級待測電動(dòng)勢實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)及其穩(wěn)定性的研究［J］.課程教育研究，2014(1):230-230.

［6］李廣英，趙雪，仇三東，等.LED毫伏級待測電動(dòng)勢實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)及其穩(wěn)定性的研究［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013，27(6):45-47.

［7］支燕，蔡淵明.電勢差計(jì)實(shí)驗(yàn)中常見故障的研究［J］.工科物理，1998(5):29-31.